1、第二章 經典力學的發(fā)展 第一節(jié) 開普勒行星運動定律 一、 新芽破土（一）、資本主義萌芽帶來的契機(15世紀后半期開始) 1、社會物質條件歐洲社會生產力迅速發(fā)展，農耕得到改進，風力水力得到普遍使用。特別是我國的四大發(fā)明經蒙古，絲綢之路傳入歐洲，更為其發(fā)展推波助瀾。哥倫布1492年發(fā)現(xiàn)美洲，麥哲倫1519年環(huán)游世界，這些都刺激了資產階級對生產技術的興趣，科學的發(fā)展有了社會物質條件。2.社會文化思想方面:出現(xiàn)了以文藝復興和宗教改革為標志的思想解放運動。但丁的神曲，米開朗基諾的雕塑，莎氏比亞的“羅米歐與朱麗葉”的出現(xiàn)，代表了人們要求思想自由，科學要求擺脫神學附庸地位，反對迷信和權威的心聲。3.代表人物

2、及其觀點1)羅吉爾培根:“證明前人說法的唯一方法，只有觀察和實踐。”2)達芬奇（1452-1519）：“實驗在任何情況下都是我的老師。”有道是“山雨欲來風滿樓”，一場科學革命的風暴已經不可避免了。（二）、哥白尼與“天體運行論”1、地心說與日心說的主要觀點地心說:地球是絕對靜止的，一切運動都是相對于地球而運動的。地心說受到宗教的吹捧與肯定。日心說:如果是地心說，這樣的觀點來描述行星的運動時，行星有無法解釋的忽快、忽慢、逆行及留的現(xiàn)象。地動日心說可以對天體的運動給予完滿的解釋。“天穹的周轉是一種視運動，實際是地球運動的反映。”托密勒（公元100？-170？）在公元2世紀提出的。他發(fā)展了亞里斯多德的

3、地心說，在歷史上第一次用模型得出了宇宙結構模型。使古代天文學達到了最高峰。2.“天體運行論”于1543年完成，它被譽為自然科學的獨立宣言。所以1543年在科學史上被稱為科學革命的一年。布魯諾（1548-1600）：因宣揚日心說，1592年被捕。1600年，面對宗教法庭的審判，他說： “我希望你們到大庭廣眾中去把我點燃，這是我最大的快樂，因為我可以以自身燃起的大火，去照亮后人的道路。”布魯諾英勇就義于羅馬的鮮花廣場。總之，16世紀中期，日心說與地心說的血與火的斗爭，是自然科學從宗教桎梏下解放的標志，教會的權威受到挑戰(zhàn)，自然科學在批判經院哲學的斗爭中開創(chuàng)著自己的道路。 （三）、舍生取義的布魯諾1.

4、丹麥著名天文學家第谷(1546-1601)，經過20年的反復的天文觀測，積累了大量準確的星體運動觀測資料，被人譽為“星學之王”。（四）、第谷與開普勒他的貢獻有：（1）在丹麥國王的支持下，在哥本哈根海峽的一個小島上修建了一座完善的天文臺。（2）經過二十余年的觀察，各個行星的角位置的誤差僅為2。（3）1560-1597年邀請開普勒到身邊工作，1600年2月3號收他為助手。（4）1601.10.24去世，把所有的天文觀測資料留給了開普勒。2.德國天文學家開普勒(1571-1630)是第谷的學生與助手，從第谷對火星的觀測資料與他理論計算的8弧分之差入手，發(fā)表了開普勒三定律。寫出“宇宙和諧論”，使我們對

5、天穹星空的認識，由雜亂到有序。開普勒的一生，雖多病貧窮，但都未動搖他破解天體奧秘的決心，他把他的一生都貢獻給了科學事業(yè)。 1587年進入杜賓根大學，在校中遇到一位秘密宣傳哥白尼學說的教授麥斯特林。受其影響，很快成為哥白尼的忠實維護者。 1591年獲文學碩士學位后，受大學的推薦，到奧地利格拉次的一所中學做數(shù)學教師。在格拉次，他開始研究天文學，把哥白尼的日心說和托密勒的地心說進行比較。他孜孜不倦地研究行星的軌跡及其成因。寫成了一本書神秘的宇宙。這本書雖然宣傳了哥白尼學說，但充滿了神秘色彩。 第谷就是通過這本書了解開普勒的數(shù)學才華。 第谷去世后，開普勒開始整理他的觀察資料，于1627年魯?shù)婪蛱煳谋磉@

6、份比以往的任何表都精確。直到18世紀中葉，這份表仍然被看作天文學上的標準星表，天文學家和航海家們都把它當作指南。 開普勒的研究首先從火星開始，他發(fā)現(xiàn)這個行星的運動與哥白尼的理論出入最大。 開普勒想從火星的觀測數(shù)據(jù)中找出它的運動軌跡，并用曲線來表示，他經過70次嘗試，他找到的最佳方案還與觀測資料相差8角分，即0.133弧度。 后來他經過4年的艱苦計算，斷定火星的軌跡不是正圓，改用其他卵形曲線軌道計算，也不對，后來改用橢圓，結果很滿意，與觀測資料完全相符。 火星的運動之謎揭開后，開普勒又進一步研究了其他幾個行星的運動，證明了他們的運動軌跡都是橢圓，這就推翻了傳統(tǒng)的天體必定做勻速圓周運動的偏見。用開

7、普勒的話說：“就憑這8角分的差異，引起了天文學的全部革新”。3.開普勒行星運動定律 第一定律：行星繞太陽作橢圓軌道的運動，太陽在橢圓的一個焦點上； 第二定律：在相同的時間內，行星和太陽的連線在橢圓平面內掃過的面積相等； 這兩條定律在1609年公布在新天文學一書中。 第三定律：行星運動的周期的平方和其距太陽距離的立方成正比。 這條定律開普勒在1619年出版的宇宙和諧論中公布 “開普勒的驚人成就，是證實下面兩條真理中的一個特別美妙的例子，這條真理是：知識不能單從經驗得出，而只能從理智的發(fā)明同觀察到的事實兩者的比較中得出”-愛因斯坦 開普勒宣傳和發(fā)展日心說，受到宗教裁判所的迫害，到處不得安身，他的書

8、被列為禁書，他所有被收走的書籍都付之一炬。1630年，他死于貧病交困之中。第二節(jié) 運動學奠基人 伽利略 一、伽利略捍衛(wèi)哥白尼學說 伽利略(1564-1642)，又是一位獻身于哥白尼學說的偉人。他出生于意大利比薩，17歲入比薩大學學醫(yī)。1589-1592年在比薩大學任數(shù)學教師，膾炙人口的比薩斜塔實驗可能就在這期間進行的。 他和開普勒是同時代的天文學家，哲學家、數(shù)學家、物理學家。他們是好朋友。 就在1609年，伽利略制作成了歷史上放大倍數(shù)32的天文望遠鏡，獲得了一系列重大的發(fā)現(xiàn)。1610年他出版了星空信使，書中介紹了的發(fā)現(xiàn)：（1）月球表面凹凸不平，有大山和平原，有象火山口那樣的環(huán)行山；（2）他發(fā)現(xiàn)

9、木星有四個衛(wèi)星圍繞它旋轉，像個小太陽系，這表明在地球外存在著不以地球為中心的天體；（3）他發(fā)現(xiàn)了土星的光環(huán)；（4）他發(fā)現(xiàn)了太陽黑子周期性地重復出現(xiàn)；（5）他發(fā)現(xiàn)銀河是有無數(shù)星星組成。 這一系列的發(fā)現(xiàn)，引起了社會的極大轟動。人們傳誦：“哥倫布發(fā)現(xiàn)新大陸，伽利略發(fā)現(xiàn)了新宇宙”。 他的代表作關于托密勒和哥白尼兩大世界體系的對話（簡稱兩大世界體系的對話）于1632年出版后 。1633年，69歲高齡時曾被羅馬宗教裁判所判處終身監(jiān)禁。仍致力于科研，于1638年又寫出了關于兩門新科學對話一書。1642.1.8 他被認為是教會的罪人含冤去世。直到1979年11月10日，300多年后，羅馬教會才在公共集會上承認

10、伽利略當時受到的教廷審判是不公平的。1980年10月，教皇又提出需要重新審理這個案子，一個包括楊振寧、丁肇中在內的全都是諾貝爾獎獲得者的6名科學家組成的委員會在羅馬成立，科學巨人的冤案終于得到昭雪，這說明真理是不可抗拒的。兩大世界體系的對話封面 二、落體運動的研究 對運動無知，也就對大自然無知。西方諺語伽利略對運動的研究主要的貢獻：（1）通過相對性原理，提出了運動與靜止的相對性，提出了對不同參考系運動的不同描述。-伽利略相對性原理（2）他用數(shù)學方法分析了時間和空間的定量關系。定義了勻速運動，還明確提出和定義了加速度的概念。（3）用實驗研究了自由落體的運動規(guī)律。S=1/2gt2伽利略由實驗得到g

11、=981cm/s2 伽利略開辟了科學方法-實驗方法和數(shù)學方法的結合，這種方法到今天還有極大的生命力，這是伽利略的偉大功績。 伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所應用的科學推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一，標志著物理學的開端。 愛因斯坦三、慣性定律 伽利略還發(fā)現(xiàn)了慣性定律，他確信，如果一個物體能夠沒有摩擦地在一個水平面上滑動的話，它將能保持自己的速度不變。 他用斜面實驗來進行證明。 他雖然得出了慣性定律，但他沒有能進行概括性的描述。以伽利略為代表的慣性觀念的改變，是古代與中世紀自然哲學過渡到經典物理學的最重要的標志。四、運動疊加原理伽利略第一個證明拋射體的路徑是一條拋物線。他用運動疊加原理把拋射運動分解為

12、：垂直方向的上拋運動和水平方向的勻速運動。他利用公式算出各拋射角時的曲線并證明與實驗相符。他還證明了拋射角為45度射程最大。五、意義他的相對性原理、慣性定律和運動疊加原理等為力學理論奠定了基礎，他具體研究的自由落體、斜面、拋射體、擺的運動奠定了運動學和動力學的基礎。并提供了解決實際力學問題的第一批范例，特別是他的實驗方法、理想化方法、雄辯的推理與嚴格的數(shù)學推證方法等等，標志著物理新紀元的開始。伽利略的預見“一門廣博精深的科學已經啟蒙，我在這方面的工作只是它的開始，那些比我更敏銳的人所用的方法和手段將會探索到各個遙遠的角落。” 一、牛頓簡介1. 牛頓1642年生于英國。從小是一個苦命的孩子，還未

13、出生，父親逝世，兩歲母親改嫁，在舅舅和姥姥家長大。2.1661年考入劍橋大學31 學院。由于學習勤奮，受到巴羅教授的賞識，1664年成為研究生。 3. 1665年開始研究微分和積分及萬有引力定律。1665年倫敦大瘟疫，一個夏天病逝3萬人。牛頓回到家鄉(xiāng)，留下了膾炙人口的“蘋果落地”的故事。（據(jù)說是法國作家伏爾泰從牛頓侄女那兒聽來的。）第三節(jié)、牛頓的經典力學體系4. 1687年出版曠世之作“自然哲學的數(shù)學原理”。由好朋友哈雷資助出版。人們爭相購閱。5. 1703年 任英國皇家學會終身會長。6. 1705年 被英國女王授予爵士稱號。7. 1727年逝世，葬于威斯敏斯特教堂。 “伊薩克牛頓爵士安葬在這

14、里，讓我們歡呼曾經存在過這樣一位偉大的人類之光.” 碑文二、牛頓的力學體系 在伽利略之后，出現(xiàn)了大批物理學家，這些物理學家中，從方法論上大體分為：一類是主要從事實驗，崇尚實驗歸納方法。例如：格里克（1602-1682）、帕斯卡（1623-1662）、玻意耳（1627-1691）、馬略特（1620-1684）、胡克（1635-1703）等；另一類是崇尚理性的演繹。笛卡兒（1596-1650）、費馬（1601-1665）、萊布尼茲（1646-1716）等，他們大多數(shù)在數(shù)學上有杰出的成就。（1）笛卡兒的力學貢獻主要是明確敘述了慣性定律，特別強調了方向性，還得出了動量守恒定律。 (2)惠更斯（1629

15、-1695）荷蘭物理學家，研究對心碰撞及鐘擺擺動。他得出了擺動周期公式和向心加速度公式。 在1687年，他的自然哲學的數(shù)學原理的出版，標志著經典力學體系的建立。 序言:“我把這部著作叫做自然哲學的數(shù)學原理，因為哲學的全部任務看來就在于從各種運動現(xiàn)象來研究各種自然之力，而后用這些力去論證其他現(xiàn)象，我希望能用同樣的推理方法，從力學中推導出自然界的其他現(xiàn)象。” 所謂經典力學體系，簡單說來，是以四個絕對化的概念：空間、時間、質量、力為基礎，以三個基本定律為核心，以萬有引力為它的綜合，并用微積分來描述物體運動的因果律。1.生產力發(fā)展的需要航海的發(fā)展，需要對天體的運行規(guī)律進行研究，對機械加工作物理原理的解

16、釋。2.物理方面的進展哥白尼的“日心說”，摧毀了附著在神學上的宇宙觀，得到了幾乎所有科學家的認同，教會的迫害反而使真理的聲音廣為傳播。伽利略奠定了在運動觀上的正確理論，各種力正在被發(fā)現(xiàn)。3.在英國，政局比較穩(wěn)定，商業(yè)發(fā)展使新興資產階級從自身的角度，開始注重科學研究。4.科學的國際研究聯(lián)系加強。英法成立了“皇家學會”和“皇家科學院”。 三、牛頓取得成功的歷史條件1.它將個別特殊的情況抽象概括為普遍理論，是當時力學規(guī)律的偉大綜合。2.它成為當時科學上判斷正誤的準繩。3.它向后來者提供了一種科學研究的方法。4.它發(fā)揮了科學理論的預言作用，引導人們從已知的現(xiàn)象去預測未來。 四、牛頓的自然哲學的數(shù)學原理

17、的意義1)哈雷彗星1682年彗星出現(xiàn)時，有人說，它是人類的罪惡造成的，因此人們紛紛跪地祈禱，驚恐萬分。五、用牛頓力學解釋現(xiàn)象 牛頓根據(jù)天文資料，應用萬有引力定律，說明和計算了彗星的運動軌道。牛頓的好朋友，英國天文學家哈雷(1656-1742)，根據(jù)牛頓理論進一步計算了大量彗星的運動軌道，得出1531年、1607年、1682年出現(xiàn)的彗星軌道相同，因此應是同一彗星。由此預言，1758年還將出現(xiàn)這一彗星。1758年，這成了當時一件眾人十分矚目的大事。彗星到期未出現(xiàn)，科學家著急得很。1759年3月12日，這顆星出現(xiàn)了，遲到的原因，是因為它受木星和土星的吸引而姍姍來遲了，這正說明了萬有引力定律的成功。

18、2)“筆尖下的行星”的發(fā)現(xiàn)1781年，赫舍爾（1738-1822）發(fā)現(xiàn)天王星，距離太陽約28億公里，繞一周要84年。但根據(jù)牛頓理論，其運動有偏差，于是預言，還應該存在另一顆星。列威爾(法)、亞當斯（英）根據(jù)牛頓的理論計算出了該星的軌道。柏林天文家伽列于1846年9月23日，在列威爾推算處相距不到1的地方發(fā)現(xiàn)了這顆星海王星，大大拓寬了天文科學家的視野。 總之自然哲學數(shù)學原理第一次顯示了科學理論所具有的知識飛躍和能動作用，它為后來的物理研究開拓了一條傳統(tǒng)思路，奠定了經典力學的基礎，促進了物理學向前發(fā)展。 1.站在巨人的肩上，勤奮學習，積累知識 數(shù)學- 歐幾里德笛卡爾萊布尼茲力學- 達.芬奇伽里略惠更斯天文學- 哥白尼第谷開普勒引力思想- 吉爾伯特布里阿德玻列利 六、牛頓的成功之路1)分析綜合法牛頓在“光學”一書中曾說：從結果到原因，從特殊原因到普遍原因，一直論證到最普遍的原因為止，這就是分析的方法;而綜合的方法則假定原因已經找到，并已把他們立為原理，再用這些原理去解釋由他們發(fā)生的現(xiàn)象。2)歸納與演繹相結合2.講究科學研究方法 3)追求簡單、明白的公理體系牛頓根據(jù)月球受地球吸引的現(xiàn)象，歸納出一切天體相互吸引的關系，進而得出了引力定律，再演繹出宇宙萬物間相互吸引的因果關系。牛頓在原理中寫道：“自然界喜歡簡